第7章 頻域測(cè)量技術(shù)

1、第第7章章 頻域測(cè)量技術(shù)頻域測(cè)量技術(shù) 7.1 頻域測(cè)量的概述頻域測(cè)量的概述7.2 線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性測(cè)量線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性測(cè)量7.3 頻譜分析頻譜分析思考題思考題77.1 頻域測(cè)量的原理與分類(lèi)頻域測(cè)量的原理與分類(lèi)7.1.1 頻域測(cè)量的原理對(duì)于一個(gè)過(guò)程或信號(hào)，它具有時(shí)間-頻率-幅度的三維特性，如圖7.1所示。頻 率頻 域電 壓時(shí) 域時(shí) 間圖7.1 信號(hào)的三維特性7.1.2 頻域測(cè)量的分類(lèi)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，頻域分析和測(cè)量的對(duì)象和目的也各不相同，通常有以下幾種： （1） 頻率特性測(cè)量：主要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性進(jìn)行測(cè)量，包括幅頻特性、相頻特性、帶寬及回路Q(chēng)值等。 （2） 選頻測(cè)量： 利用選頻電壓表，通過(guò)調(diào)諧

2、濾波的方法，選出并測(cè)量信號(hào)中某些頻率分量的大小。（3） 頻譜分析： 用頻譜分析儀分析信號(hào)中所含的各個(gè)頻率分量的幅值、功率、能量和相位關(guān)系，以及振蕩信號(hào)源的相位噪聲特性、空間電磁干擾等。（4） 調(diào)制度分析測(cè)量： 對(duì)各種頻帶的射頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，測(cè)量其調(diào)制度，如調(diào)幅波的調(diào)幅系數(shù)、調(diào)頻波的頻偏、調(diào)頻指數(shù)以及它們的寄生調(diào)制參量。 （5） 諧波失真度測(cè)量： 信號(hào)通過(guò)非線(xiàn)性器件都會(huì)產(chǎn)生新的頻率分量，俗稱(chēng)非線(xiàn)性失真。這些新的頻率分量包括諧波和互調(diào)。 7.2 線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性測(cè)量線(xiàn)性系統(tǒng)頻率特性測(cè)量7.2.1 基本測(cè)量方法1. 點(diǎn)頻測(cè)量法 圖7.2中的曲線(xiàn)2就是使用動(dòng)態(tài)測(cè)量法所獲得的曲線(xiàn)。這時(shí)，曲

3、線(xiàn)略有右移，但最大值也略有降低。Uout11靜態(tài)2動(dòng)態(tài)fO2圖7.2 靜、動(dòng)態(tài)測(cè)量曲線(xiàn)2. 掃頻測(cè)量法掃頻測(cè)量法具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)頻率特性的自動(dòng)或半自動(dòng)測(cè)量，特別是在進(jìn)行電路測(cè)試時(shí)，人們可以一面調(diào)節(jié)電路中的有關(guān)元件，一面觀(guān)察熒光屏上頻率特性曲線(xiàn)的變化，隨時(shí)判明元件變化對(duì)幅頻特性產(chǎn)生的影響，迅速調(diào)整，查找電路的故障。（2） 由于掃頻信號(hào)的頻率是連續(xù)變化的，因此，所得到的被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線(xiàn)也是連續(xù)的，不會(huì)出現(xiàn)由于點(diǎn)頻法中頻率點(diǎn)離散而遺漏細(xì)節(jié)的問(wèn)題，且能夠觀(guān)察到電路存在的各種沖激變化，如脈沖干擾等，更符合被測(cè)電路的應(yīng)用實(shí)際。（3）掃頻測(cè)量法測(cè)量簡(jiǎn)單、速度快，可實(shí)現(xiàn)頻率特性測(cè)量的自動(dòng)

4、化，已成為一種廣泛使用的方法。3. 多頻測(cè)量法多頻測(cè)量是利用多頻信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)的一種頻域測(cè)量技術(shù)。所謂“多頻信號(hào)”，是指由若干頻率離散的正弦波組成的集合。多頻測(cè)量將這個(gè)“多頻信號(hào)”作為激勵(lì)，同時(shí)加到被測(cè)系統(tǒng)的輸入端，并檢測(cè)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)在這些頻率點(diǎn)的頻譜，在與輸入進(jìn)行比較之后就可以得到被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性。 4. 廣譜快速測(cè)量法當(dāng)系統(tǒng)對(duì)非線(xiàn)性失真的要求較高時(shí)，可采用白噪聲作為測(cè)量的激勵(lì)信號(hào)。 7.2.2 相頻特性測(cè)量 在測(cè)量線(xiàn)性系統(tǒng)的相頻特性時(shí)，以被測(cè)電路輸入端信號(hào)作為參考信號(hào)，輸出端信號(hào)作為被測(cè)信號(hào)，用相位計(jì)測(cè)量輸出端信號(hào)與輸入端信號(hào)之間的相位差。調(diào)節(jié)正弦波發(fā)生器輸出信號(hào)的頻率，用描點(diǎn)的方

5、法可得到相位差隨頻率的變化規(guī)律，即線(xiàn)性系統(tǒng)的相頻特性， 如圖7.3所示。正 弦 波發(fā) 生 器被 測(cè) 電 路相 位 計(jì)參 考 信 號(hào)圖7.3 線(xiàn)性系統(tǒng)的相頻特性測(cè)量7.2.3 掃頻儀1. 基本工作原理 對(duì)掃頻信號(hào)發(fā)生器的基本要求是： （1） 中心頻率范圍大且可以連續(xù)調(diào)節(jié)。（2） 掃頻寬度要寬且可任意調(diào)節(jié)，常用頻偏進(jìn)行描述。（3） 寄生調(diào)幅要小。（4） 掃描線(xiàn)性度好。 圖7.4中，掃頻信號(hào)發(fā)生電路的振蕩頻率受掃描電壓u2所調(diào)制。 掃頻信號(hào)發(fā)生器被測(cè)電路峰值檢波器Y軸放大器X軸放大器掃描電壓發(fā)生器u3u4u5u1u2tttt圖7.4 掃頻儀的簡(jiǎn)要原理框圖為保證掃頻儀有很寬的工作頻率范圍，往往將整個(gè)工

6、作頻段劃分成幾個(gè)分波段，還可以通過(guò)混頻的方法獲得更高的工作頻率，如圖7.5所示。掃 描 信 號(hào)發(fā) 生 器調(diào) 頻 信 號(hào)發(fā) 生 器混 頻 器低 通濾 波 器掃 頻 信號(hào) 輸 出高 頻 信 號(hào)發(fā) 生 器f2f1圖7.5 混頻法拓展掃頻儀至更高的工作頻率2. 主要技術(shù)指標(biāo) 掃頻儀的主要技術(shù)指標(biāo)有： 有效掃頻帶寬、掃頻線(xiàn)性、幅度不平坦性等。1） 有效掃頻寬度和中心頻率有效掃頻寬度也稱(chēng)掃頻頻偏，是指在掃頻線(xiàn)性和幅度不平坦性符合要求的前提下，一次掃頻能達(dá)到的最大頻率范圍，即 f=fmax-fmin 式中, f為有效掃頻寬度；fmax、fmin為一次掃頻時(shí)能達(dá)到的最高和最低瞬時(shí)頻率。中心頻率定義為而把f/f

7、0稱(chēng)為相對(duì)掃頻寬度，即 通常把f遠(yuǎn)小于信號(hào)瞬時(shí)頻率值的掃頻信號(hào)稱(chēng)為窄帶掃頻，把f可以和信號(hào)瞬時(shí)頻率相比擬的掃頻信號(hào)稱(chēng)為寬帶掃頻。2minmax0fffminmaxminmax02ffffff2） 掃頻線(xiàn)性?huà)哳l線(xiàn)性表示掃頻信號(hào)頻率與掃描電壓之間線(xiàn)性相關(guān)的程度，常用掃頻線(xiàn)性系數(shù)來(lái)表示，定義為：3） 幅度不平坦性在幅頻特性測(cè)量中，必須保證掃頻信號(hào)的幅度保持不變。掃頻信號(hào)的幅度不平坦性常用它的寄生調(diào)幅來(lái)表示，定義為式中，A、B表示掃頻信號(hào)的最大和最小幅度。minmax)/()/(dudfdudfk %100BABAm3. 掃頻儀的分類(lèi)1） 按用途劃分按用途劃分，掃頻儀可分為通用掃頻儀、專(zhuān)用掃頻儀、寬帶

8、掃頻儀、阻抗圖示儀、 微波綜合測(cè)量?jī)x 2） 按頻率劃分按頻率劃分，掃頻儀可分為低頻掃頻儀、高頻掃頻儀、電視掃頻儀等。4. 掃頻儀的應(yīng)用1） 電路幅頻特性的測(cè)量 測(cè)量電路如圖7.6所示。 檢波探頭被測(cè)電路掃頻儀輸出輸入圖7.6 幅頻特性的測(cè)量圖7.7給出了典型濾波器的頻率特性測(cè)量曲線(xiàn)。頻 標(biāo)低 通 濾 波 器頻 標(biāo)高 通 濾 波 器頻 標(biāo)帶 通 濾 波 器頻 標(biāo)帶 阻 濾 波 器圖7.7 典型濾波器的頻率特性測(cè)量曲線(xiàn) 2） 電路參數(shù)的測(cè)量 (1) 增益的測(cè)量。 在調(diào)好幅頻特性的基礎(chǔ)上，用粗、細(xì)調(diào)衰減器控制掃頻信號(hào)的電壓幅度，符合被測(cè)電路設(shè)計(jì)要求的輸入信號(hào)幅度。衰減器的總誤差量應(yīng)不小于放大器設(shè)計(jì)的

9、總增益，記下此時(shí)幅頻特性的高度A，輸出總衰減B1（dB）。再將檢波探頭直接和掃頻輸出端短接，改變“輸出衰減”，使幅頻特性的高度仍為A，此時(shí)的衰減器讀數(shù)為B2（dB），則該放大器的增益為：AvB1B2圖7.8 掃頻儀測(cè)量帶寬ABABfLfH(a)(b)(2) 帶寬的測(cè)量。測(cè)量帶寬時(shí)，先調(diào)節(jié)掃頻儀輸出衰減和調(diào)整Y增益，使頻率特性曲線(xiàn)的頂部與屏幕上某一水平刻度線(xiàn)相切（如圖7.8中與AB線(xiàn)相切）；然后保持Y增益不變，將掃頻儀輸出衰減減小3dB，則此時(shí)屏幕上的曲線(xiàn)將上移而與AB線(xiàn)相交，兩交點(diǎn)處的頻率分別為下截止fL和上截止頻率fH： BWfLfH (3) 回路Q(chēng)值的測(cè)量。測(cè)量時(shí)電路連接和測(cè)量方法與測(cè)回路

10、帶寬相同，在用外接頻標(biāo)測(cè)出回路的諧振頻率f0以及上、下截止頻率fH和fL后，按下面的公式即可計(jì)算出回路的Q值。LHfffBWfQ007.3 頻譜分析儀頻譜分析儀7.3.1 選頻測(cè)量圖7.9所示為外差式諧波分析儀的原理框圖。 衰 減 器混 頻 器選 頻 放 大 器電 壓 表本 機(jī)振 蕩 器被 測(cè)信 號(hào)fxf0fw圖7.9 外差式諧波分析儀的原理框圖7.3.2 頻譜分析儀1. 頻譜分析儀的原理1) 濾波式頻譜分析圖7.10示出了濾波式頻譜儀的基本結(jié)構(gòu)。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)一組中心頻率不同的濾波器或經(jīng)過(guò)一個(gè)掃描調(diào)諧式濾波器，選出各個(gè)頻率分量，經(jīng)檢波后進(jìn)行顯示或記錄。帶 通 濾 波 器 或掃 描 調(diào) 諧 式

11、濾 波 器信 號(hào) 輸 入檢 波 器顯 示 或 記 錄圖7.10 濾波式頻譜分析法的簡(jiǎn)要原理框圖圖7.11 外差掃頻方式頻譜分析方法的原理簡(jiǎn)圖混 頻 器A輸 入信 號(hào)A中 頻 放 大中 頻濾 波 器A本 地振 蕩 器CRT在這種頻譜儀中，隨著濾波器頻率的改變，完成頻譜分析，因此，濾波器和檢波器是兩個(gè)重要的單元電路，它們的構(gòu)成形式和性能好壞對(duì)頻譜分析儀起著重要的作用。其原理簡(jiǎn)圖如圖7.11所示。2) 計(jì)算法頻譜分析計(jì)算法在快速傅里葉變換（FFT）算法問(wèn)世后，才被廣泛應(yīng)用于頻譜分析。通過(guò)直接計(jì)算有限離散傅里葉變換（DFT），即可獲得信號(hào)序列的離散頻譜。有限離散序列xn和它的頻譜Xm之間的DFT可表示

12、為計(jì)算法頻譜分析儀的構(gòu)成如圖7.12所示。 nmNNnnmWxX10低 通濾 波 器模 擬 信 號(hào)輸 入采 樣 /保 持電 路模 /數(shù)轉(zhuǎn) 換 電 路存 儲(chǔ)電 路數(shù) 字 信 號(hào)處 理 電 路顯 示 記 錄電 路圖7.12 計(jì)算法頻譜分析儀框圖計(jì)算法頻譜分析儀2. 頻譜分析儀的分類(lèi)1） 并行濾波實(shí)時(shí)頻譜儀并行濾波實(shí)時(shí)頻譜儀又稱(chēng)為多通道濾波式頻譜分析儀，其原理如圖7.13所示。 f01f02f0n放大ui帶通濾波器階梯波發(fā)生器Y放大器X放大器檢波S1S2Sn圖7.13 并行濾波實(shí)時(shí)頻譜儀的原理框圖2） 掃頻濾波式頻譜儀掃頻濾波式頻譜儀利用一個(gè)中心頻率受掃頻電壓調(diào)節(jié)的帶通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)工作頻帶內(nèi)的頻譜分

13、析，其原理框圖如圖7.14所示。 檢 波 器輸 出放 大 器CRT掃 描 發(fā) 生 器電 調(diào) 諧 帶 通 濾 波 器輸 入信 號(hào)圖7.14 掃頻濾波式頻譜分析儀的原理框圖3） 掃頻外差式頻譜儀借助于外差式收音機(jī)和掃頻的原理，將輸入信號(hào)與儀器內(nèi)部的本地振蕩信號(hào)進(jìn)行混頻，通過(guò)線(xiàn)性地調(diào)整本地振蕩源的頻率，使其與被測(cè)信號(hào)中各頻率成分形成固定的差頻，用相對(duì)頻移的方法取代圖7.14中的電調(diào)諧帶通濾波器，這就構(gòu)成了掃頻外差式頻譜分析儀，如圖7.15所示。Y放 大 器檢 波 器中 頻放 大 器混 頻 器X放 大 器鋸 齒 波掃 描 器掃 頻振 蕩 器uif0fw圖7.15 掃頻外差式頻譜分析儀的原理框圖4） 時(shí)

14、基壓縮式實(shí)時(shí)頻譜儀時(shí)基壓縮式實(shí)時(shí)分析儀又稱(chēng)為模擬數(shù)字混合式頻譜分析儀，其原理框圖如圖7.16所示。5） 數(shù)字式頻譜儀隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的成熟與應(yīng)用，頻譜分析儀也走向了數(shù)字化。用數(shù)字濾波器代替上述模擬頻譜分析儀中的模擬濾波器、用數(shù)字平方檢波和均方算法代替二極管檢波，這就構(gòu)成了數(shù)字濾波式頻譜分析儀。 實(shí) 時(shí) 采 樣A/D轉(zhuǎn) 換數(shù) 字 存 儲(chǔ)快 速 讀 出D/A轉(zhuǎn) 換外 差 式頻 譜 儀ui圖7.16 時(shí)基壓縮式頻譜儀的原理框圖6） 采用數(shù)字中頻的外差式頻譜分析儀數(shù)字式頻譜分析儀目前由于受到A/D采樣速率和數(shù)字信號(hào)處理器處理速度的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻及微波信號(hào)的頻譜實(shí)時(shí)分析，為解決這一問(wèn)題，采用數(shù)

15、字中頻的外差式頻譜分析儀誕生了。這種分析儀融合了外差掃描與數(shù)字信號(hào)處理及實(shí)時(shí)分析技術(shù)，在傳統(tǒng)模擬外差式頻譜分析儀的基礎(chǔ)上，在中頻及以后部分采用了全數(shù)字技術(shù)，通過(guò)數(shù)字濾波和FFT的方法，使分辨力和分析速度都大為提高，頻譜分析儀的性能得到很大改善。 HP8566A超外差頻譜分析儀3. 頻譜分析儀的主要技術(shù)參數(shù)頻譜分析儀的參數(shù)較多，并且不同種類(lèi)的頻譜儀參數(shù)也不完全相同，但以下技術(shù)參數(shù)是最基本的。1） 頻率范圍頻率范圍是指能達(dá)到頻譜分析儀規(guī)定性能的工作頻率區(qū)間，如安捷倫公司的ESA-E系列頻譜分析儀頻率范圍可達(dá)325 GHz。2） 掃頻寬度與分析時(shí)間、掃頻速度掃頻寬度也稱(chēng)分析寬度，是指頻譜分析儀在一次

16、掃描分析過(guò)程中所顯示的頻率范圍，也就是本機(jī)振蕩器的掃頻寬度。 3） 頻率分辨率 頻率分辨率是指頻譜分析儀能把靠得很近的兩個(gè)頻譜分量分辨出來(lái)的能力。由于屏幕顯示的譜線(xiàn)實(shí)際上是窄帶濾波器的動(dòng)態(tài)幅頻特性，因而頻譜分析儀的分辨率主要取決于窄帶濾波器的通頻帶寬度，因此定義窄帶濾波器幅頻特性的3 dB帶寬為頻譜儀的分辨率。 4） 動(dòng)態(tài)范圍與測(cè)量范圍頻譜分析儀的動(dòng)態(tài)范圍定義為： 頻譜分析儀能以給定精度測(cè)量、分析輸入端同時(shí)出現(xiàn)的兩個(gè)信號(hào)的最大功率比（用dB表示）。它實(shí)際上表示頻譜分析儀顯示大信號(hào)和小信號(hào)的頻譜的能力。其上限受到非線(xiàn)性失真的制約，一般可達(dá)60 dB以上，有的甚至達(dá)90 dB。5） 靈敏度靈敏度是

17、指頻譜分析儀測(cè)量微弱信號(hào)的能力，定義為顯示幅度為滿(mǎn)刻度時(shí)，輸入信號(hào)的最小電平值。靈敏度受分析儀中存在的噪聲、雜波、失真以及雜散響應(yīng)的限制，并且與掃速有關(guān)，掃速越快，動(dòng)態(tài)幅頻特性峰值就越低，靈敏度也越低。許多頻譜分析儀的靈敏度可達(dá)-135-115 dBm。 4. 頻譜分析儀的應(yīng)用1） 對(duì)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量由上述頻譜儀的工作原理可知，用頻譜儀可以測(cè)量信號(hào)本身（即基波）及各次諧波的頻率、幅度、功率譜，以及各頻率分量之間的間隔，具體包括： (1) 直接測(cè)量各次諧波的頻率、幅值，用以判斷失真的性質(zhì)及大小。(2) 可以用做選頻電壓表，如測(cè)量工頻干擾的大小。(3) 根據(jù)譜線(xiàn)的抖動(dòng)情況，可以測(cè)量信號(hào)頻率的穩(wěn)定度

18、。(4) 測(cè)試調(diào)幅、調(diào)頻、脈沖調(diào)制等調(diào)制信號(hào)的功率譜及邊帶輻射。 (5) 測(cè)量脈沖噪聲，測(cè)試瞬變信號(hào)。 2）信號(hào)仿真測(cè)量對(duì)于聲音信號(hào)來(lái)說(shuō)，通常說(shuō)的“音色”是對(duì)頻譜而言的，音色如何是由其諧波成分決定的。各種樂(lè)器或歌唱家的音色可用頻譜來(lái)鑒別。通過(guò)頻譜儀可對(duì)各種樂(lè)器的頻譜進(jìn)行精確的分析測(cè)量，由電子電路制作的電子琴是典型的仿真樂(lè)器，在電子琴的制作和調(diào)試過(guò)程中，通過(guò)與被仿樂(lè)器的頻譜做精確的比對(duì)，可提高電子琴的仿真效果。同理，可通過(guò)頻譜分析儀的協(xié)助來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言的仿真。 3）電子設(shè)備生產(chǎn)調(diào)測(cè)頻譜分析儀可顯示信號(hào)的各種頻率成分及幅度，在生產(chǎn)、檢測(cè)中常用于調(diào)測(cè)分頻器、倍頻器、混頻器、頻率合成器、放大器及各種電子設(shè)備整機(jī)等，測(cè)量其增益、諧波失真、相位噪聲、雜波輻射等，如頻譜分析儀是無(wú)線(xiàn)電通信設(shè)備整機(jī)檢測(cè)的重要儀器。圖7.17給出了發(fā)射機(jī)雜散輻射測(cè)量的示意圖。發(fā) 射 機(jī)頻 譜分 析 儀信 號(hào)發(fā) 生 器圖7.17 發(fā)射機(jī)雜波輻射的測(cè)量4） 電磁干擾（EMI）的測(cè)量頻譜分析儀是電磁干擾的測(cè)試、診斷和故障檢修中用途最廣的一種工具。頻譜分析儀對(duì)于一個(gè)電磁兼容（EMC）工程師來(lái)說(shuō)就像一位數(shù)字電路設(shè)計(jì)工程師手中的邏輯分析儀一樣重要。如在診斷電磁干擾源并指出輻射發(fā)射區(qū)域時(shí)，采用便攜式頻譜分析儀是很方便的。 5） 相位噪聲的測(cè)量頻譜分析儀還廣泛用于信號(hào)源、振蕩器、頻率合成器輸出信號(hào)相位噪聲的測(cè)量。